孕育鑄鐵組織特點

通過孕育處理后，消除了產(chǎn)生過冷石墨和滲碳體的結(jié)晶條件，使石墨細小，分布均勻；大斷面上也可以獲得細小、均勻的晶粒，避免產(chǎn)生偏析現(xiàn)象；厚壁、薄壁皆可獲得細小珠光體基體，從而使鑄鐵的強度大大提高。

孕育鑄鐵比普通灰鑄鐵更可貴的是，它對不同斷面的敏感性較小(即強度指標因斷面加大而下降的趨勢較小)。圖1為斷面敏感性的有關(guān)資料。

由圖1可知，孕育灰鑄鐵斷面增加5倍，抗拉強度僅減小10%，而普通灰鑄鐵斷面直徑增加3.5倍，抗拉強度卻要下降50%。

孕育鑄鐵的疲勞極限、抗生長性和耐腐蝕性均比普通灰鑄鐵高，而吸振性能卻比普通灰鑄鐵低。

孕育鑄鐵的金相組織均勻，硬度趨于一致，其切削加工性能優(yōu)于普通灰口鑄鐵。

孕育灰鑄鐵廣泛應(yīng)用于汽缸、活塞、液壓泵和滑閥等零件，還可作為低合金鑄鐵的代用品。

鑄鐵是指碳的質(zhì)量分數(shù)為2.06%以上的鑄造鐵碳合金的總稱。通常由生鐵、廢鋼、鐵合金等以不同比例配合，通過熔煉而成。其中除碳外，還含有錳、硅和少量的磷與硫。一般可分為灰鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、合金鑄鐵、白口鑄鐵、孕育鑄鐵等。

孕育鑄鐵是指經(jīng)過孕育處理的灰鑄鐵。孕育處理是指澆筑前向鐵水中加入少量強烈促進石墨化的物質(zhì)(孕育劑)進行處理。最常用的孕育劑為含76%

孕育鑄鐵特點：強度和韌性都優(yōu)于普通灰鑄鐵，而且孕育處理使得不同壁厚鑄件的組織比較均勻，性能基本一致。故孕育鑄鐵常用來制造力學(xué)性能要求較高而截面尺寸變化較大的大型鑄件。

孕育鑄鐵的碳當量低于普通亞共晶灰鑄鐵，凝固溫度較高，結(jié)晶溫度范圍較大，再加上孕育處理會使鐵水溫度下降，其流動性低于普通亞共晶灰鑄鐵。為了得到良好的孕育效果和好的流動性，出爐溫度必須提高到1400℃以上。牌號越高，要求出爐溫度也越高。

孕育鑄鐵的線收縮和體收縮都比普通灰鑄鐵大。隨著牌號的提高，線收縮和體收縮增大，線收縮可達1.2%，縮松也越來越嚴重。厚大鑄件必須考慮冒口補縮，薄壁復(fù)雜鑄件必須充分估計由收縮而引起的變形和開裂問題。孕育鑄鐵原鐵水碳當量較低，白口傾向較大，經(jīng)孕育處理后，消除了白口組織，可以澆注較薄的鑄件。

廣義地說，在爐前加入鐵水中，以改變或改善鑄鐵組織、提高其物理性能和機械性能的材料就叫孕育劑。它可分為兩大類：

穩(wěn)定碳化物類型的孕育劑(如含錳合金)：促使鑄鐵由穩(wěn)定系統(tǒng)向次穩(wěn)定系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，適用于大型鑄件、共晶和過共晶鑄鐵以及不便降低碳當量的鑄鐵中，以阻止鑄鐵過分石墨化。

石墨化類型的孕育劑(如含硅合金)：促使鑄鐵由次穩(wěn)定系統(tǒng)向穩(wěn)定系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。通常人們所說的、生產(chǎn)孕育鑄鐵用的孕育劑是指這一類。它要求具有很強的石墨化能力、良好的脫氧作用以及較低的熔點。能作為這類孕育劑的物質(zhì)很多，下面分三方面來敘述：

(1)固體孕育劑：這種孕育劑有簡單的元素(如黑色石墨)，有普通的鐵合金(如硅鐵、硅鈣)，也有多元的復(fù)雜合金(如稀土硅鐵合金)。共效果、價格相差很懸殊。在生產(chǎn)中，較常用的、效果好、價格便宜的有：·

①硅鐵：它是最常用的孕育劑，以硅75用得最多

②硅鈣：它是硅、鈣、鐵的合金。其熔點為1000~1245℃。比重為2.4~2.6克/立方厘米。硅鈣有三個牌號。從孕育效果來看，硅鈣比硅鐵好。這是因為，鈣不僅有石墨化作用，而且化學(xué)性質(zhì)很活潑，易與氧、硫、氮、碳及氫化合，放出大量反應(yīng)熱，降低鐵水的冷卻速度。因此，硅鈣可用來作為含硫較高的薄壁鑄件的孕育劑。用硅鈣孕育的鐵水，孕育衰退比較慢。但孕育后，鐵水浮渣較多，鐵件較易產(chǎn)生夾渣缺陷。它的價格比硅鐵高，較少被采用。

③稀土硅鐵合金：它是供應(yīng)量較大、價格較低的稀土合金。其熔點為1082~1089℃，平均比重為4.7克/立方厘米。稀土本身是促使形成白口的，但是當稀土加入量小于“臨界加入量”時，由于稀土的脫氧去硫等作用，形成了稀土化合物，不僅使稀土本身喪失了原來促使形成白口的作用，而且還減少了氧、硫等雜質(zhì)強烈阻礙石墨化的作用。同時，稀土化合物在鐵水中是難熔的小質(zhì)點，有人認為，它可成為石墨化晶核，綜合結(jié)果使鑄鐵白口減小。所以，稀土硅鐵合金實際上是一種復(fù)合孕育劑，不僅具有硅鐵、硅鈣孕育的效果，而且還能凈化鐵水、改善鑄造性能，使石墨和基體組織細化，分布更加均勻，過冷傾向減小，鑄鐵機械性能和耐磨性提高。它還有一個優(yōu)點是，像硅鐵一類孕育劑的加入量必須適當控制，加入量太多時，不僅不能得到良好的效果，反而使鑄鐵強度下降。而稀土硅鐵合金的加入量對孕育效果的影響不那么敏感。

稀土硅鐵鈣合金孕育效果更佳，但熔點較高。

④其他：將硅鐵和鋁的混合物(如二份硅90，一份鋁或二份硅75，一份鋁)作為復(fù)合孕育劑，效果也佳。鐵水中加入少量鋁不僅有者強烈的石墨化作用，而且有很強的脫氧作用。鋁加入鐵水中也能放出一部分熱量，使鐵水降溫速度減慢。但與硅鐵一樣，其加入量必須適當控槲才能獲得良好的效果。

(2)液體孕育劑：當鐵水溫度很低(如低于1330℃)、用固體孕育有困難時，可采用液體孕育劑。其方法是，在兩個熔爐中分別熔化兩種熔液。一種是低碳當量的(白口或麻口)鐵水，另一種是作為孕育劑的高碳當量(低牌號灰鑄鐵)鐵水或液體硅鐵(可在坩堝中熔化)。當前者出鐵后，在低碳當量鐵水中摻入20~50%的高碳當量鐵水或液體硅鐵(用量比固體硅鐵少)，就可獲得孕育鑄鐵。如有人采用3.5～3.6%碳、1.8～2.0%硅的鐵水作為孕育劑，以20~35%的數(shù)量加入低碳當量(2.9~3.1%碳、0.8～0.9%硅)的鐵水中，獲得了孕育鑄鐵。其抗彎強度達到58～62公斤/平方毫米，硬度HB為190~200，金相組織為均勻分布的細小片狀石墨和珠光體基體。這種方法不僅可節(jié)約大量固體孕育劑，而且孕育衰退較慢。其缺點是需要兩套熔化設(shè)備。

(3)表面孕育劑：根據(jù)鑄件較厚的部位來選擇鐵水化學(xué)成分時，壁薄的部位可能會出現(xiàn)白口。為了解決這個問題，可在易出現(xiàn)白口的部位進行表面孕育處理。其方法是：在濕砂型中，用過70~80號篩的孕育劑(硅鐵、硅鈣等)粉末覆蓋型腔表面；在干砂型中，用90%孕育劑粉末和10%糊精的水混合物涂抹型腔表面。上涂料后應(yīng)予烘干。若有粘砂現(xiàn)象，應(yīng)在涂料中加入石墨。澆注后，當鐵水和涂料接觸時，孕育劑便向鑄件深處擴散而發(fā)生孕育作用。使之不出現(xiàn)白口，鑄件整個斷面得到均勻的珠光體組織和細小的石墨片。

孕育處理是現(xiàn)代鑄造生產(chǎn)提高鑄鐵性能的重要手段。孕育鑄鐵是指由碳、硅含量較低的原鐵液經(jīng)孕育處理而得到的高強度灰鑄鐵。國家標準GB/T 9439--2010規(guī)定孕育鑄鐵牌號有HT250、HT300、HT350。

(1)孕育鑄鐵熔煉的工藝參數(shù)如圖2所示。

(2)孕育劑含量與鑄件壁厚關(guān)系

:為防止鑄件薄壁處產(chǎn)生白口或麻口，應(yīng)注意孕育鑄鐵允許的最小壁厚。在含碳量不變的條件下，孕育鑄鐵件壁厚與含硅量的關(guān)系見下表：

(3)孕育劑

常用的孕育劑是FeSi75。此外，也可以根據(jù)需要選用新型孕育劑如：鋇硅鐵(BaSiFe)、鍶硅鐵(SrSiFe)、碳硅鈣(TG-1)、稀土鈣鋇硅鐵(RECaBa)、稀土鉻錳硅鐵(RECrMn)、穩(wěn)定化復(fù)合孕育劑(DWF)等，這些孕育劑已經(jīng)商品化。

(4)鐵液孕育處理操作方法如圖3所示。 2100433B

1950～1970年間我國采用冶金用75硅鐵作孕育劑使用。這種硅鐵中對孕育起重要作用的Ca、Al沒有限定含量范圍，其孕育效果不穩(wěn)定。70年代沈陽鑄造研究所等單位開發(fā)出硅鋇、硅鍶孕育劑，以后各單位又相繼開發(fā)或引進了含稀土孕育劑、碳硅孕育劑、穩(wěn)定化孕育劑等。

十年的實踐表明，我國的孕育劑系列可以滿足鑄鐵件生產(chǎn)發(fā)展的需求。效果明顯優(yōu)于冶金硅鐵。硅鐵孕育劑的用量占鑄鐵孕育劑總量的80%以上。但是，相當多的中小鑄造廠和質(zhì)量要求不高的鑄件采用冶金用硅鐵作為孕育劑使用，其效果不穩(wěn)定。銷售量居于第二位的是含鋇硅鐵孕育劑，再次是含鍶硅鐵孕育劑。碳硅孕育劑(包括從Foseco引進的Inoculin10)、含稀土孕育劑、含鉍硅鐵孕育劑的用量也有明顯增長。這些新型孕育劑在高級鑄鐵件的生產(chǎn)中起了重要作用，例如薄壁耐水壓灰鑄鐵件發(fā)動機缸體件、薄壁或厚大球墨鑄鐵件等。孕育劑的發(fā)展對提高鑄鐵件質(zhì)量起了重要作用。最近幾年電爐或沖天爐-電爐雙聯(lián)熔化逐步增多，還需要含鋯硅鐵、含鈦硅鐵孕育劑但這兩種孕育劑用量不大，今后需求可望增加。

為了提高鑄鐵的抗磨性，防止在鑄鐵中出現(xiàn)石墨組織，向鑄鐵中添加一定數(shù)量的碳化物形成元素鉻從而形成了低鉻鑄鐵。低鉻鑄鐵的含鉻量通常在(質(zhì)量分數(shù))2%～5%范圍內(nèi)，為避免出現(xiàn)石墨，硅量應(yīng)作限制。此外，為了調(diào)整低鉻鑄鐵的組織，進一步提高抗磨性，也可向低鉻鑄鐵中添加一定數(shù)量的Mo、Cu、Ni等合金元素。

由于鉻及其它合金元素的添加量較少，因此低鉻鑄鐵的組織與普通白口鑄鐵差別不大，圖2為含鉻量(質(zhì)量分數(shù))為2%的Fe-C-Cr平衡相圖，可見鉻的加入并未在相圖中增加新的組成相，只是一些特征點的位置相對于不含鉻的Fe-C相圖發(fā)生了一些改變。

與普通白口鑄鐵相比，低鉻白口鑄鐵的碳化物為含有少量鉻的合金滲碳體(Fe、Cr)₃C，維氏硬度也由840～1100HV增加到1000～1230HV。碳化物形貌也略有所改善，而基體組織則根據(jù)熱處理狀態(tài)的不同而不同，可以是珠光體、索氏體、馬氏體或它們的混合組織，同時可能伴隨有少量的奧氏體。隨低鉻鑄鐵中含碳量提高，組織中碳化物數(shù)量增加，鑄鐵的硬度略有增加。低鉻鑄鐵的鑄態(tài)組織通常為共晶碳化物 珠光體。

低鉻鑄鐵的化學(xué)成分根據(jù)零件使用的工況條件，可作相應(yīng)的調(diào)整。隨含碳量增加，低鉻鑄鐵的碳化物數(shù)量增加(而且呈網(wǎng)狀形態(tài)存在于基體中)，硬度提高，韌性降低，沖擊較大的使用工況(如直徑較大的球磨機等用低鉻鑄鐵鑄球)易產(chǎn)生破碎現(xiàn)象，其含碳量應(yīng)適當降低，圖3是低鉻鑄鐵的碳含量與硬度和相對耐磨性的關(guān)系。此外，隨鉻含量的增加，碳化物的形態(tài)和分布有所改善，使沖擊韌性、硬度以及疲勞抗力和沖擊磨損抗磨性有所增加，圖4為鉻對低鉻鑄鐵性能的影響。

由于組織中大量碳化物的存在，低鉻鑄鐵的韌性與普通白口鑄鐵相當，但抗磨料磨損的抗磨性比之有較大的提高。因此，低鉻鑄鐵主要應(yīng)用于球磨機磨球。

低鉻鑄鐵一般采用鑄態(tài)去應(yīng)力處理，其基體組織為珠光體，即將鑄態(tài)鑄件在中、低溫度保溫適當時間以減少應(yīng)力。為進一步提高低鉻鑄鐵的硬度，亦可進行高溫保溫一定時間后空冷并低溫回火的方式，獲得一定數(shù)量的馬氏體基體組織，此時為提高淬透性可添加一定數(shù)量的Mo、Cu或Ni等元素。

低鉻鑄鐵既可用沖天爐熔煉，亦可用電爐熔煉，還可用沖天爐與電爐雙聯(lián)熔煉。但用沖天爐熔煉時應(yīng)注意控制鐵液的含碳量。通常低鉻鑄鐵鐵液在爐前采用稀土硅鐵進行孕育處理以提高綜合性能。稀土元素有改善碳化物形態(tài)、細化晶粒、脫氧、脫硫和凈化鐵液的作用。低鉻鑄鐵在爐前加入質(zhì)量分數(shù)1%左右的稀土硅鐵合金，將對改善低鉻鑄鐵的沖擊韌性和抗磨性有一定的作用。

低鉻鑄鐵的鑄造性能基本與普通白口鐵相當，鑄造收縮率在1.6%～1.8%之間。